Alle algers kloroplaster nedstammer fra cyanobakterier

Den russiske biolog C. von Mereschkowsky foreslog i begyndelsen af 1900-tallet, at både landplanters og algers kloroplaster skulle nedstamme fra cyanobakterier. Efter næsten 100 års forskning er denne teori nu almindeligt accepteret. Cyanobakterier var de første organismer på Jorden, der udnyttede lys, kuldioxid og vand til fotosyntesen. Man regner med, at cyanobakterierne opstod for omkring 3,5 milliarder år siden. De eukaryote alger opstod først langt senere, formodentlig for 1,5-2 milliarder år siden.

Man mener, at de første fotosyntetiserende eukaryote alger opstod ved, at protozoer, der ikke kan udføre fotosyntese, optog cyanobakterier i deres fødevakuole (se Det farveløse plankton – protozoer og dyreplankton samt følgende afsnit). I stedet for at blive fordøjet i protozoerne, levede cyanobakterierne videre, og deres klorofyl udførte nu fotosyntese for en ny type organisme bestående af to oprindelige organismer: en symbiont og en vært (figur 4-10). Denne første sameksistens mellem cyanobakterier og protozoer kaldes den primære symbiose.

De første eukaryote alger, der opstod på denne måde, var grønalger og rødalger. Cyanobakterierne mangler som bekendt kloroplaster, i stedet forekommer de fotosyntetiserende pigmenter bundet til specielle membraner, thylakoider. Hos grønalgerne og rødalgerne er thylakoiderne samlet i kloroplaster, som har to membraner omkring sig. Man mener, at den yderste membran stammer fra den oprindelige protozos fødevakuole, mens den inderste membran er cyanobakteriernes cellemembran.

Andre algetyper som øjealger og enkelte dinoflagellater opstod formodentlig ved, at protozoer optog grønalger og dannede symbiose med dem. Atter andre alger som rekylalger, stilkalger, gulalger og mange dinoflagellater opstod ved at optage rødalger. Ved denne sekundære symbiose skulle man forvente, at der dannedes fire membraner omkring kloroplasterne. Det er også tilfældet hos rekylalger, men hos langt de fleste alger, opstået på denne måde, er den ene membran siden forsvundet, og de har derfor en kloroplast omgivet af tre membraner. Rekylalger afviger desuden fra de andre alger ved stadig at indeholde en del af den oprindelige symbionts DNA i en såkaldt „nucleomorph“, som er resterne af en cellekerne. Hos de andre alger har man kunnet spore DNA fra den oprindelige vært i den nuværende værts DNA.

Eksempler på tertiær symbiose findes hos dinoflagellater. Nogle arter af dinoflagellater har kloroplaster, som stammer fra alger som rekylalger, kiselalger og stilkalger. Der er altså tale om en tertiær symbiose, og antallet af membraner omkring kloroplasterne varierer hos disse arter fra to til fem. Det betyder, at en del af de oprindelige membraner fra fødeoptagelsen må være forsvundet med tiden.

Nogle alger har dog mistet deres kloroplaster igen, og andre har formentlig aldrig haft dem. Således kan man inden for selv nært beslægtede organismer finde arter med og arter uden kloroplaster (f.eks. dinoflagellat-slægten Dinophysis). En del af de arter, som man traditionelt henregner til algerne, men som mangler kloroplaster, vil blive behandlet særskilt under det farveløse plankton.